EP1559500A1 - Verfahren und Vorrichtung zum mechanischen Bearbeiten eines hohlen Bauteils - Google Patents

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EP1559500A1
EP1559500A1 EP04002033A EP04002033A EP1559500A1 EP 1559500 A1 EP1559500 A1 EP 1559500A1 EP 04002033 A EP04002033 A EP 04002033A EP 04002033 A EP04002033 A EP 04002033A EP 1559500 A1 EP1559500 A1 EP 1559500A1
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EP
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contour
component
inner contour
outer contour
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EP04002033A
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English (en)
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EP1559500B1 (de
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Boris Bublath
Dirk Dr. Goldschmidt
Beate Heimberg
Wolfgang Dr. Hermann
Michael Dr. Ott
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P6/00—Restoring or reconditioning objects
    • B23P6/002—Repairing turbine components, e.g. moving or stationary blades, rotors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P15/00—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass
    • B23P15/02—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass turbine or like blades from one piece
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2230/00—Manufacture
    • F05B2230/80—Repairing, retrofitting or upgrading methods

Definitions

  • the present invention relates to a method for mechanical machining of a hollow component, in particular a turbine component, and a processing device to edit such a component.
  • Turbine components on the inside of the hollow component often Inner channels for guiding a cooling fluid, wherein the Cooling fluid flows through holes to the outside of the component and coating them with a cooling fluid film.
  • the holes which the outside of the component with the inner channels connect when inserting exactly after the inner channels be aligned so that the bore meets the channel.
  • the object of the present invention is a improved method for machining a hollow component to provide.
  • Another object of the present invention is therein, an improved processing device for Edit a hollow component to provide.
  • the first task is by a method of mechanical Processing a hollow component according to claim 1 and the second task by a processing device according to Claim 14 solved.
  • a hollow component in particular a turbine component, which has an outer contour and an inner contour is detects the inner contour of the component and the mechanical Machining adapted to the detected inner contour.
  • editing the outer contour can edit of the component.
  • the inventive method allows the Displacements and variations of the inner contour when editing of the component. It can, for example, after repair procedures, the outer contours of the Component in relation to the inner contours optimal again be discontinued if during the remake of the Operails data, such as in the form of data grids, which his Define contours, be deposited. The same data You can also reopen cooling air holes after the repair of the component, for example by means of a Alloy can be used.
  • the method according to the invention makes it possible the committee at the introduction of cooling air holes to reduce, because by capturing the inner contour of the situation the inner channels is known exactly. costly Reworking in case of bad drilling can be thereby avoid.
  • the introduction of cooling air holes in extremely narrow or complex internal channels becomes thereby economically and partly technically in the first place makeable.
  • Adjusting the mechanical Editing the detected inner contour can, for example. be done by the component or the tool according to the detected inner contour for machining is aligned.
  • the Inner contour For detecting the inner contour of the component come various methods into consideration. For example, the Inner contour by means of an X-ray method or means Computed tomography are recorded. Alternatively it is possible, for capturing the inner contour of a thermographic Method to use. It is between the inner contour and the outer contour made a temperature difference and the temperature distribution of the inner or the outer contour measured thermographically. From the temperature distribution is then determines the inner contour of the component.
  • the thermographic process is distinguished, for example, over the X-ray or computed tomography by a relatively simple apparatus construction.
  • the Temperature difference between the Inner contour and the outer contour can be one of the two contours be exposed to a cold or a hot medium.
  • the Temperature difference of the cold and the hot medium compared to the ambient temperature is so great choose that in the component a thermographically measurable Temperature distribution arises.
  • the Temperature difference between the inner contour and the Outer contour can also be generated by one of the two Contours exposed to a warming radiation source becomes.
  • the inner contour of the component also with a Be detected method in which a measurement of Wall thickness of the component takes place at selected measuring locations.
  • the Measuring the wall thickness can, for example, by means of Ultrasound or, if the component is a conductive Material is made by means of eddy current.
  • a processing device for mechanical processing, in particular for cutting or erosive machining, of a hollow component, which one Contour outer contour and an inner contour comprises a Measuring device for detecting a contour of the component and for outputting a detected contour representing Contour signal and one with the measuring device for receiving the contour signal connected adjusting unit for adjusting the Component and / or a component processing tool based on the received contour signal.
  • the measuring device characterized by the fact that it is designed in such a way that it captures the inner contour of the component.
  • the processing device is suitable for Performing the method according to the invention.
  • the knowledge the internal contour of the component displaces the adjusting unit into the position, displacements or variations of the inner contour Compensate against the outer contour, and thus allows a high-precision mechanical processing of the component.
  • the measuring device comprises in an embodiment of the invention Processing device, an X-ray computer tomograph.
  • Processing device comprises the measuring device for Detecting the inner contour at least one ultrasonic measuring sensor or at least one eddy current measuring sensors for Attaching to selected measuring locations of the component.
  • the processing device comprises Measuring device a thermographic camera and a Device for producing a temperature difference between the inner contour and the outer contour of the hollow component.
  • the Device for producing the temperature difference can thereby a cooling or heating medium supply to the inner or outer contour of the component.
  • the temperature of the supplied cooler or Heating medium is chosen such that the Temperature difference one with the thermographic camera detectable temperature distribution on the outer contour of the Part produced.
  • a cooling or heating medium supply may be the means for establishing a temperature difference but also a radiation source, for example.
  • a Infrared light source for irradiating the outer contour or the Include inner contour of the component.
  • the production of the Temperature difference by irradiation high-frequency Alternating fields are basically possible.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of the inventive processing device in one schematic representation.
  • Fig. 2 shows a second embodiment of the inventive processing device in one schematic representation.
  • Fig. 3 shows a third embodiment of the inventive processing device in one schematic representation.
  • FIG 1 shows as a first embodiment of the inventive processing machine a Processing machine with a movable drilling tool 10 as a processing device for processing the hollow Component.
  • a hollow member 12 is in Figure 1 in strong Simplified way, a turbine blade 12 shown.
  • the Turbine blade 12 has an outer surface 14, which the Outside contour of the turbine blade 12 sets, and a Inner surface 16, which has an inner contour of the turbine blade 12 determines.
  • the turbine blade 12 Inner channels 18 which in the interior of the turbine blade 12th are arranged and as cooling air ducts for supplying Cooling air serve as a cooling fluid.
  • the inner surfaces 19 of Cooling air channels 18 provide a further inner contour of the Turbine blade 12 dar.
  • the task of the drilling tool 10 is to cool air holes 20 in the outer surface 14 of the turbine blade 12 so bring in that the cooling air holes 20, the outer surface 14 connect to the cooling air channels 18.
  • the Turbine blade 12 serve these cooling air holes 20 to a portion of the flowing through the cooling air channels 18 Cooling air along the outer surface 14 of the turbine blade 12th to guide and so a cooling film around the outer surface 14th to create.
  • the inventive processing device is therefore a measuring device for Detecting at least one of the inner contours 16, 19 of the Turbine blade 12 available.
  • the introduction of the Cooling air holes 20 is then taking into account the Position of the detected inner contours 16, 19 relative to Outside contour 14 of the turbine blade 12, so that the Cooling air ducts 18 can be accurately drilled.
  • the committee on turbine blades 12 the due to incorrect drilling, reduce. Also can the elaborate reworking in case of bad drilling be avoided.
  • the measuring device for Detecting at least one inner contour 16, 19 of the Turbine blade 12 a Walkerstoffzuschreib 22, with the Inner contours 16, 19, a heating means can be supplied.
  • a thermographic camera 24 is the Temperature distribution on the outer surface 14 of the Turbine blade 12 measured and to a computer 26, the may also be part of the measuring device, output.
  • suitable software from the measured temperature distribution, the inner contour 16, 19 of the turbine blade 12 and gives the inner contour 16, 19 representing contour signal from.
  • heating means which the inner contours 16, 19 of the Turbine blade 12 is supplied, preferably finds a Heating fluid, which in the simplest case may be hot air, Use. But also other heating fluids with a higher Heat capacity as air, for example heating fluids, can be supplied.
  • a temperature difference between the inner contour 16, 19 and the outer contour 14 to produce instead of a Heating means and a coolant, such as cooling air or Coolant to be supplied.
  • a coolant can in the present embodiment, for example, liquid Use nitrogen.
  • the measuring device takes place instead of a heating or coolant supply 22 a Radiation source application (not shown), which the Inner contour 16, 19 supplies a aufloomende radiation. It should not go unmentioned, that instead of the inner contours 16, 19 and the outer contour 14 are heated or cooled can. In this case, the thermographic camera 24 must However, the temperature distribution of the inner contours 16, 19th to capture. This embodiment can only be realized if the volumes enclosed by the inner contours 16, 19 large are enough to accommodate the thermographic camera 24 can. This embodiment is therefore suitable for components with large internal volumes and / or measuring devices with small thermographic cameras.
  • the processing machine comprises the movable drilling tool 10 and a tool controller 28 for receiving the Contour signal with the computer 26 is in signal connection. Based on the contour signal, the Tool control 28 to the adjusting device (not shown) for adjusting the movable drilling tool 10th output control signals. Based on these control signals is the movable drilling tool 10 is aligned such that the Drill 11 when introducing the cooling air holes the Inner channels 18 of the turbine blade 12 meets.
  • Figure 2 shows a second embodiment of the According to the invention processing machine.
  • component 112 represent a hollow shaft. It is important for that Embodiment, however, only that the component a Outer contour 114 and an inner contour 116 has.
  • the processing device a movable grinding tool 110, whose position due to control data received from a tool controller 128 be adjusted.
  • the measuring device for detecting the inner contour 116 of the Component 112 and for outputting the contour signal is in present embodiment CT Scanner.
  • This includes one X-ray source 122 and a receiving unit 124 for X-rays, both with a computer 126 in Connection stand.
  • the computer 126 controls on the one hand the X-ray source 122 and the receiving unit 124 for X-rays and on the other hand receives from the Recording unit 124 Data which the recorded Represent X-rays. Determined from these data the computer 126, the inner contour 116 of the component 112 and is a contour signal representing the inner contour 116 to the tool controller 128.
  • the way of working of a Computed tomography is basically known and should therefore will not be explained in detail at this point.
  • the processing device With the processing device according to the second Embodiment, it is possible a grinding of the outer contour 114 of the component 112 taking into account the inner contour 116 to make.
  • the outer contour of a Turbine blade after refilling repair process in Relation to the inner contour to optimally adjust. To This purpose can be achieved during the re-production of the component Data are stored, which its inner contours and the Represent outer contours. The same data can after also be used to when filling closed cooling air holes again to open.
  • a third embodiment of the invention Processing device is shown in Figure 3.
  • These Embodiment includes an adjustable grinding tool 210 for machining a hollow member 212 and a Tool control 228, the control signals for adjusting the adjustable grinding tool 210 to a not shown Adjustment device for adjusting the grinding tool 210 outputs.
  • the adjustable grinding tool 210, the Tool control 228 and component 212 are different not from the adjustable grinding tool 110, that Tool controller 128 and the component 112 of the second Embodiment and will therefore not again explained.
  • the third differs Embodiment in that for determining the Inner contour 216 of the component 212 a plurality of ultrasonic measuring sensors 224 are present on selected Measuring locations of the outer contour 214 of the component 212 is arranged be measured and the wall thickness of the component 212. If the Outer contour of the component 212 is known, can be from the wall thickness determined, the inner contour 216 of the component 212nd determine. These are the ones of the ultrasonic measuring sensors 224 recorded measurement signals to a computer 226th output from the signals and the outer contour 214 the Inner contour 216 determined and a contour signal, which the Inner contour 216 represents, to the tool controller 228th outputs. Possibly. can also measure the wall thickness with a single measuring sensor, which successively measuring locations of the Outside contour 214 anaide and there performs the measurement.
  • the processing apparatus of the third embodiment moreover, preferably also comprises a device for Determining the outer contour 214 of the workpiece 212.
  • a device for Determining the outer contour 214 of the workpiece 212 preferably also comprises a device for Determining the outer contour 214 of the workpiece 212.
  • the processing devices the other embodiments, a suitable device for determining the outer contour of the component.
  • the Measuring device of the third embodiment in a alternative embodiment also one or more Eddy current measuring sensors or other suitable sensors for Determining the wall thickness of the component include.
  • the processing devices of the embodiments have Drilling tools or grinding tools as machining tools on. You can, however, alternatively or additionally, other cutting or abrasive tools, for example Milling tools or polishing tools include.
  • each tool was adjusted.
  • the component or to adjust both the component and the tool it is also possible for the component or to adjust both the component and the tool.

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Abstract

Im erfindungsgemäßen Verfahren zum mechanischen Bearbeiten eines hohlen Bauteils (12), insbesondere eines Turbinenbauteils, welches eine Außenkontur (14) und eine Innenkontur (16, 19) aufweist, wird die Innenkontur (16, 19) des Bauteils erfasst und das mechanische Bearbeiten an die erfasste Innenkontur (16, 19) angepasst. <IMAGE>

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum mechanischen Bearbeiten eines hohlen Bauteils, insbesondere eines Turbinenbauteils, sowie eine Bearbeitungsvorrichtung zum Bearbeiten eines derartigen Bauteils.
Insbesondere bei einer mechanischen Bearbeitung der Außenseite eines hohlen Bauteils, wie sie bspw. während seiner Fertigung oder in Folge von Wartungsprozessen stattfindet, sind zumeist vorgegebene Mindestwandstärken einzuhalten. Dies gilt in besonderem Maße für mechanisch und/oder thermisch hoch belastete hohle Bauteile wie etwa Turbinenschaufeln, aber auch für Zylinderköpfe, Achsen etc. Beim Bearbeiten eines derartigen Bauteils sollen daher die Mindestwanddicken nicht unterschritten werden.
In der US 5,285,572 wird vorgeschlagen, das Reparieren einer Turbinenschaufel auf der Basis der Außenkontur der Schaufel vorzunehmen. Das Reparieren der Turbinenschaufel umfasst das Aufbringen einer Legierung auf die zu reparierenden Stellen, das Verschmelzen der Legierung mit der Turbinenschaufel und ein anschließendes mechanisches Bearbeiten, nämlich das Schleifen der Außenkontur zum Entfernen von störenden Legierungsresten. Um ein Unterschreiten der Mindestwandstärke durch das Schleifen zu vermeiden, wird in der US 5,285,572 vorgeschlagenen, vor dem Schleifen die Außenkontur der Turbinenschaufel zu ermitteln und an die Schleifmaschine weiterzugeben. Das Schleifen erfolgt dann unter Berücksichtigung der ermittelten Außenkontur, um eine Minimierung des abzuschleifenden Materials zu erzielen.
Höhere Belastungen von Turbinenbauteilen erfordern jedoch immer geringere Fertigungstoleranzen. Außerdem weisen Turbinenbauteile an der Innenseite des hohlen Bauteils häufig Innenkanäle zum Führen eines Kühlfluids auf, wobei das Kühlfluid durch Bohrungen zur Außenseite des Bauteils strömt und diese mit einem Kühlfluidfilm überzieht. Die Bohrungen, welche die Außenseite des Bauteils mit den Innenkanälen verbinden, müssen beim Einbringen genau nach den Innenkanälen ausgerichtet werden, damit die Bohrung den Kanal trifft.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren zum Bearbeiten eines hohlen Bauteils zur Verfügung zu stellen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Bearbeitungsvorrichtung zum Bearbeiten eines hohlen Bauteils zur Verfügung zu stellen.
Die erste Aufgabe wird durch ein Verfahren zum mechanischen Bearbeiten eines hohlen Bauteils nach Anspruch 1 und die zweite Aufgabe durch eine Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 14 gelöst.
Im erfindungsgemäßen Verfahren zum mechanischen Bearbeiten eines hohlen Bauteils, insbesondere eines Turbinenbauteils, welches eine Außenkontur und eine Innenkontur aufweist, wird die Innenkontur des Bauteils erfasst und das mechanische Bearbeiten an die erfasste Innenkontur angepasst. Das Bearbeiten kann insbesondere ein Bearbeiten der Außenkontur des Bauteils umfassen.
Gegenüber der an die erfasste Außenkontur angepassten Bearbeitung bietet das erfindungsgemäße Bearbeitungsverfahren den Vorteil, dass beispielsweise Variationen in der Innenkontur von gleichartigen hohlen Bauteilen bei der Bearbeitung berücksichtigt werden können. Derartige Variationen entstehen bspw. beim Abguss von hohlen Turbinenbauteilen, wenn es zu Kernbewegungen und somit zu Verlagerungen bzw. Variationen der Innenkontur gegenüber der Außenkontur kommt. Kernbewegungen lassen sich nicht immer vermeiden, insbesondere, wenn die Kerne eine hohe Komplexität aufweisen, wie dies bspw. bei dünnen Innenkanälen mit vielen Mäandern der Fall ist. Die Komplexität der Gießkerne nimmt heutzutage immer mehr zu, was es erschwert, den Kern in Position zu halten.
Die beschriebenen Variationen oder Verlagerungen der Innenkontur, die sowohl zu Variationen in der Lage von Kühlfluidkanälen als auch zu Variationen in den Wanddicken der hohlen Bauteile führen können, können beim Bearbeiten des Bauteils auf der Basis der erfassten Außenkontur nicht adäquat berücksichtigt werden. Höher belastete Bauteile machen jedoch immer geringere Fertigungstoleranzen erforderlich. Verlagerungen bzw. Variationen der Innenkontur gegenüber der Außenkontur erschweren daher das Einhalten der minimalen Wanddicke beim Bearbeiten des Bauteils und Erhöhen den Ausschuss beim Bearbeiten.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, die Verlagerungen und Variationen der Innenkontur beim Bearbeiten des Bauteils zu berücksichtigen. Dabei können bspw. nach auffüllenden Reparaturverfahren die äußeren Konturen des Bauteils in Relation zu den Innenkonturen wieder optimal eingestellt werden, wenn während der Neufertigung des Bauteils Daten, etwa in Form von Datengittern, welche seine Konturen definieren, hinterlegt werden. Dieselben Daten können außerdem auch zum Wiederöffnen von Kühlluftbohrungen nach dem Reparieren des Bauteils bspw. mittels einer Legierung genutzt werden.
Außer beim Warten von hohlen Bauteilen ist das erfindungsgemäße Verfahren jedoch auch bei der Neufertigung vorteilhaft. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, den Ausschuss beim Einbringen von Kühlluftbohrungen zu verringern, da durch das Erfassen der Innenkontur die Lage der Innenkanäle genauestens bekannt ist. Aufwendige Nacharbeitungen im Falle von Fehlbohrungen lassen sich dadurch vermeiden. Das Einbringen von Kühlluftbohrungen in extrem schmale oder komplexe Innenkanäle wird hierdurch wirtschaftlich und zum Teil auch technisch überhaupt erst machbar.
Schließlich kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch die Kühlung durch eine an die erfasste Innenkontur angepasste Bearbeitung der Außenwände optimiert werden. In einem solchen Fall sollte die kritische Außenkontur mit Aufmaß versehen werden.
Als mechanische Bearbeitungen kommen im erfindungsgemäßen Verfahren insbesondere spanende Bearbeitungen wie etwa Bohren oder Schleifen in Betracht. Das Anpassen des mechanischen Bearbeitens an die erfasste Innenkontur kann dabei bspw. dadurch erfolgen, dass das Bauteil oder das Werkzeug entsprechend der erfassten Innenkontur für die Bearbeitung ausgerichtet wird.
Für das Erfassen der Innenkontur des Bauteils kommen verschiedene Verfahren in Betracht. Beispielsweise kann die Innenkontur mittels eines Röntgenverfahrens oder mittels Computertomographie erfasst werden. Alternativ ist es auch möglich, zum Erfassen der Innenkontur ein thermografisches Verfahren zu verwenden. Dabei wird zwischen der Innenkontur und der Außenkontur eine Temperaturdifferenz hergestellt und die Temperaturverteilung der Innen- oder der Außenkontur thermografisch vermessen. Aus der Temperaturverteilung wird dann die Innenkontur des Bauteils ermittelt. Das thermografische Verfahren zeichnet sich bspw. gegenüber dem Röntgenverfahren oder der Computertomographie durch einen relativ einfachen apparativen Aufbau aus.
Zum Herstellen der Temperaturdifferenz zwischen der Innenkontur und der Außenkontur kann eine der beiden Konturen einem kalten oder einem heißen Medium ausgesetzt werden. Die Temperaturdifferenz des kalten bzw. des heißen Mediums gegenüber der Umgebungstemperatur ist dabei so groß zu wählen, dass im Bauteil eine thermografisch vermessbare Temperaturverteilung entsteht. Alternativ kann die Temperaturdifferenz zwischen der Innenkontur und der Außenkontur auch dadurch erzeugt werden, dass eine der beiden Konturen einer sie erwärmenden Strahlungsquelle ausgesetzt wird.
Außer mittels Röntgenverfahren oder thermografischer Verfahren kann die Innenkontur des Bauteils auch mit einem Verfahren erfasst werden, in welchem eine Messung der Wanddicke des Bauteils an ausgewählten Messorten erfolgt. Das Messen der Wanddicke kann dabei beispielsweise mittels Ultraschall oder, falls das Bauteil aus einem leitfähigen Material hergestellt ist, mittels Wirbelstrom erfolgen.
Neben dem Erfassen der Innenkontur ist es im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens auch möglich, zusätzlich die Außenkontur des hohlen Bauteils zu erfassen.
Eine erfindungsgemäße Bearbeitungsvorrichtung zum mechanischen Bearbeiten, insbesondere zum spanenden oder abtragenden Bearbeiten, eines hohlen Bauteils, welches eine Außenkontur und eine Innenkontur aufweist, umfasst eine Messeinrichtung zum Erfassen einer Kontur des Bauteils und zum Ausgeben eines die erfasste Kontur repräsentierenden Kontursignals und eine mit der Messeinrichtung zum Empfangen des Kontursignals verbundene Justiereinheit zum Justieren des Bauteils und/oder eines das Bauteil bearbeitenden Werkzeuges anhand des empfangenen Kontursignals. Die Messeinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie derart ausgestaltet ist, dass sie die Innenkontur des Bauteils erfasst.
Die erfindungsgemäße Bearbeitungsvorrichtung eignet sich zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Kenntnis der Innenkontur des Bauteils versetzt die Justiereinheit in die Lage, Verlagerungen bzw. Variationen der Innenkontur gegenüber der Außenkontur auszugleichen, und ermöglicht so ein hoch präzises mechanisches Bearbeiten des Bauteils.
Zum Erfassen der Innenkontur umfasst die Messeinrichtung in einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Bearbeitungsvorrichtung einen Röntgen-Computertomographen.
In einer alternativen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Bearbeitungsvorrichtung umfasst die Messeinrichtung zum Erfassen der Innenkontur mindestens einen Ultraschall-Messsensor oder mindestens einen Wirbelstrom-Messsensoren zum Anbringen an ausgewählten Messorten des Bauelements.
In einer weiteren alternativen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Bearbeitungsvorrichtung umfasst die Messeinrichtung eine thermografische Kamera sowie eine Einrichtung zum Herstellen einer Temperaturdifferenz zwischen der Innenkontur und der Außenkontur des hohlen Bauteils. Die Einrichtung zum Herstellen der Temperaturdifferenz kann dabei eine Kühl- oder Heizmediumzufuhr zur Innen- oder Außenkontur des Bauteils umfassen. Die Temperatur des zugeführten Kühloder Heizmediums wird dabei derart gewählt, dass die Temperaturdifferenz eine mit der thermografischen Kamera erfassbare Temperaturverteilung auf der Außenkontur des Bauteils erzeugt. Statt einer Kühl- oder Heizmediumzufuhr kann die Einrichtung zum Herstellen einer Temperaturdifferenz jedoch auch eine Strahlungsquelle, bspw. eine Infrarotlichtquelle, zum Bestrahlen der Außenkontur oder der Innenkontur des Bauteils umfassen. Auch das Herstellen der Temperaturdifferenz mittels Einstrahlung hochfrequenter Wechselfelder ist grundsätzlich möglich.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen.
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Bearbeitungsvorrichtung in einer schematischen Darstellung.
Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Bearbeitungsvorrichtung in einer schematischen Darstellung.
Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Bearbeitungsvorrichtung in einer schematischen Darstellung.
Figur 1 zeigt als ein erstes Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Bearbeitungsmaschine eine Bearbeitungsmaschine mit einem beweglichen Bohrwerkzeug 10 als Bearbeitungseinrichtung zum Bearbeiten des hohlen Bauteils. Als hohles Bauteil 12 ist in Figur 1 in stark vereinfachter Weise eine Turbinenschaufel 12 dargestellt. Die Turbinenschaufel 12 weist eine Außenfläche 14 auf, welche die Außenkontur der Turbinenschaufel 12 festlegt, und eine Innenfläche 16, welche eine Innenkontur der Turbinenschaufel 12 festlegt. Zusätzlich weist die Turbinenschaufel 12 Innenkanäle 18 auf, die im Inneren der Turbinenschaufel 12 angeordnet sind und als Kühlluftkanäle zum Zuführen von Kühlluft als ein Kühlfluid dienen. Die Innenflächen 19 der Kühlluftkanäle 18 stellen eine weitere Innenkontur der Turbinenschaufel 12 dar.
Aufgabe des Bohrwerkzeuges 10 ist es, Kühlluftbohrungen 20 in die Außenfläche 14 der Turbinenschaufel 12 derart einzubringen, dass die Kühlluftbohrungen 20 die Außenfläche 14 mit den Kühlluftkanälen 18 verbinden. Im Betrieb der Turbinenschaufel 12 dienen diese Kühlluftbohrungen 20 dazu, einen Teil der durch die Kühlluftkanäle 18 strömenden Kühlluft entlang der Außenfläche 14 der Turbinenschaufel 12 zu leiten und so einen kühlenden Film um die Außenfläche 14 zu erzeugen.
Beim Bohren der Kühlluftbohrungen 20 müssen die Kühlluftkanäle 18 getroffen werden. Es ist daher notwendig die Lage der Kühlluftkanäle 18 relativ zur Außenfläche 14 der Turbinenschaufel 12 zu kennen. Wie bereits in der Beschreibungseinleitung erwähnt, führen jedoch Bewegungen des Gießkerns beim Gießen der Turbinenschaufel 12 dazu, dass die Innenkonturen 16, 19 Verlagerungen oder Variationen erfahren können. Insbesondere bei steigender Komplexität der Kerne, beispielsweise aufgrund dünner Kühlkanäle mit vielen Mäandern, ergeben sich einerseits größere Kernbewegungen, also größere Verlagerungen bzw. Variationen der Innenkonturen gegenüber der Außenkontur, und andererseits ist eine höhere Präzision beim Einbringen der Kühlluftbohrungen 20 nötig, um auch wirklich die dünnen Kühlkanäle 18 beim Bohren zu treffen.
In der erfindungsgemäßen Bearbeitungsvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist daher eine Messeinrichtung zum Erfassen mindestens einer der Innenkonturen 16, 19 der Turbinenschaufel 12 vorhanden. Das Einbringen der Kühlluftbohrungen 20 erfolgt dann unter Berücksichtigung der Lage der erfassten Innenkonturen 16, 19 relativ zur Außenkontur 14 der Turbinenschaufel 12, so dass die Kühlluftkanäle 18 exakt angebohrt werden können. Dadurch lässt sich der Ausschuss an Turbinenschaufeln 12, der aufgrund von Fehlbohrungen entsteht, verringern. Auch kann das aufwendige Nachbearbeiten im Falle von Fehlbohrungen vermieden werden.
Im ersten Ausführungsbeispiel umfasst die Messeinrichtung zum Erfassen mindestens einer Innenkontur 16, 19 der Turbinenschaufel 12 eine Heizmittelzufuhr 22, mit der den Innenkonturen 16, 19 ein Heizmittel zugeführt werden kann. Mittels einer thermografischen Kamera 24 wird die Temperaturverteilung an der Außenfläche 14 der Turbinenschaufel 12 gemessen und an einen Rechner 26, der ebenfalls Bestandteil der Messeinrichtung sein kann, ausgegeben. Im Rechner 26 berechnet eine geeignete Software aus der gemessenen Temperaturverteilung die Innenkontur 16, 19 der Turbinenschaufel 12 und gibt ein die Innenkontur 16, 19 repräsentierendes Kontursignal aus.
Als Heizmittel, welches den Innenkonturen 16, 19 der Turbinenschaufel 12 zugeführt wird, findet vorzugsweise ein Heizfluid, das im einfachsten Fall Heißluft sein kann, Verwendung. Aber auch andere Heizfluide mit einer höheren Wärmekapazität als Luft, beispielsweise Heizflüssigkeiten, können zugeführt werden.
Da es für das Erfassen der Innenkontur 16, 19 nur darauf ankommt, eine Temperaturdifferenz zwischen der Innenkontur 16, 19 und der Außenkontur 14 zu erzeugen, kann statt eines Heizmittels auch ein Kühlmittel, beispielsweise Kühlluft oder Kühlflüssigkeit, zugeführt werden. Als Kühlflüssigkeit kann im vorliegenden Ausführungsbeispiel bspw. flüssiger Stickstoff Verwendung finden.
In einer alternativen Ausgestaltung der Messeinrichtung findet statt einer Heiz- oder Kühlmittelzufuhr 22 eine Strahlungsquelle Anwendung (nicht dargestellt), welche der Innenkontur 16, 19 eine aufheizende Strahlung zuführt. Es soll nicht unerwähnt bleiben, dass statt der Innenkonturen 16, 19 auch die Außenkontur 14 geheizt oder gekühlt werden kann. In diesem Fall muss die thermografische Kamera 24 jedoch die Temperaturverteilung der Innenkonturen 16, 19 erfassen. Diese Ausgestaltung ist nur dann realisierbar, wenn die von den Innenkonturen 16, 19 umschlossenen Volumina groß genug sind, um die thermografische Kamera 24 aufzunehmen zu können. Diese Ausgestaltung eignet sich daher bei Bauteilen mit großen Innenvolumen und/oder Messeinrichtungen mit kleinen thermografischen Kameras.
Die Bearbeitungsmaschine umfasst das bewegliche Bohrwerkzeug 10 und eine Werkzeugsteuerung 28, die zum Empfang des Kontursignals mit dem Rechner 26 in Signalverbindung steht. Auf der Basis des Kontursignals ermittelt die Werkzeugsteuerung 28 die an die Justiereinrichtung (nicht dargestellt) zum Justieren des beweglichen Bohrwerkzeuges 10 auszugebenden Steuersignale. Anhand dieser Steuersignale wird das bewegliche Bohrwerkzeug 10 derart ausgerichtet, dass der Bohrer 11 beim Einbringen der Kühlluftbohrungen die Innenkanäle 18 der Turbinenschaufel 12 trifft.
Figur 2 stellt ein zweites Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Bearbeitungsmaschine dar. Das in Figur 2 sehr schematisch dargestellte Bauteil 112 kann beispielsweise eine Hohlwelle darstellen. Wichtig ist für das Ausführungsbeispiel jedoch nur, dass das Bauteil eine Außenkontur 114 und eine Innenkontur 116 aufweist. Zum Bearbeiten des Bauteils 112 weist die Bearbeitungsvorrichtung ein bewegliches Schleifwerkzeug 110 auf, dessen Position aufgrund von Steuerdaten, die von einer Werkzeugsteuerung 128 zur Verfügung gestellt werden, justiert wird. Wie im ersten Ausführungsbeispiel empfängt die Werkzeugsteuerung 128 ein Kontursignal mit Konturdaten, welche die Innenkontur 116 des Bauteils 112 repräsentieren, und ermittelt die Steuerdaten auf der Basis des empfangenen Kontursignals.
Die Messeinrichtung zum Erfassen der Innenkontur 116 des Bauteils 112 und zum Ausgeben des Kontursignals ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Computertomograph. Dieser umfasst eine Röntgenstrahlungsquelle 122 und eine Aufnahmeeinheit 124 für Röntgenstrahlen, die beide mit einem Computer 126 in Verbindung stehen. Der Computer 126 steuert einerseits die Röntgenstrahlungsquelle 122 und die Aufnahmeeinheit 124 für Röntgenstrahlen und empfängt andererseits von der Aufnahmeeinheit 124 Daten, welche die aufgenommene Röntgenstrahlung repräsentieren. Aus diesen Daten ermittelt der Computer 126 die Innenkontur 116 des Bauteils 112 und gibt ein die Innenkontur 116 repräsentierendes Kontursignal an die Werkzeugsteuerung 128 aus. Die Arbeitsweise eines Computertomographen ist grundsätzlich bekannt und soll daher an dieser Stelle nicht näher erläutert werden.
Mit der Bearbeitungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform ist es möglich, ein Schleifen der Außenkontur 114 des Bauteils 112 unter Berücksichtigung der Innenkontur 116 vorzunehmen. Dies ermöglicht es beispielsweise, wenn das Bauteil eine Turbinenschaufel mit Kühlluftkanälen und Kühlluftbohrungen ist, die Außenkontur derart zu optimieren, dass die Kühlluftströmung entlang der Außenkontur der Turbinenschaufel optimiert wird. In diesem Fall sollte jedoch die kritische Außenkontur mit Aufmaß versehen werden. Außerdem ist es möglich, die Außenkontur einer Turbinenschaufel nach auffüllenden Reparaturverfahren in Relation zur Innenkontur wieder optimal einzustellen. Zu diesem Zweck können während der Neufertigung des Bauteils Daten hinterlegt werden, welche seine Innenkonturen und die Außenkonturen repräsentieren. Dieselben Daten können nach auffüllenden Reparaturverfahren auch dazu verwendet werden, beim Auffüllen verschlossene Kühlluftbohrungen wieder zu öffnen.
Ein drittes Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Bearbeitungsvorrichtung ist in Figur 3 dargestellt. Diese Ausführungsform umfasst ein justierbares Schleifwerkzeug 210 zum Bearbeiten eines hohlen Bauteils 212 sowie eine Werkzeugsteuerung 228, die Steuersignale zum Justieren des justierbaren Schleifwerkzeugs 210 an eine nicht dargestellte Justiereinrichtung zum Justieren des Schleifwerkzeugs 210 ausgibt. Das justierbare Schleifwerkzeug 210, die Werkzeugsteuerung 228 und das Bauteil 212 unterscheiden sich nicht vom justierbaren Schleifwerkzeug 110, der Werkzeugsteuerung 128 und dem Bauteil 112 des zweiten Ausführungsbeispiels und werden daher nicht noch einmal erläutert.
Vom zweiten Ausführungsbeispiel unterscheidet sich das dritte Ausführungsbeispiel dadurch, dass zum Ermitteln der Innenkontur 216 des Bauteils 212 mehrere Ultraschall-Messsensoren 224 vorhanden sind, die an ausgewählten Messorten der Außenkontur 214 des Bauteils 212 angeordnet werden und die Wanddicke des Bauteils 212 vermessen. Wenn die Außenkontur des Bauteils 212 bekannt ist, lässt sich aus der ermittelten Wanddicke die Innenkontur 216 des Bauteils 212 ermitteln. Dazu werden die von den Ultraschall-Messsensoren 224 aufgenommenen Messsignale an einen Rechner 226 ausgegeben, der aus den Signalen und der Außenkontur 214 die Innenkontur 216 ermittelt und ein Kontursignal, welches die Innenkontur 216 repräsentiert, an die Werkzeugsteuerung 228 ausgibt. Ggf. kann das Messen der Wanddicke auch mit einem einzigen Messsensor erfolgen, der nacheinander Messorte der Außenkontur 214 anfährt und dort die Messung durchführt.
Die Bearbeitungsvorrichtung des dritten Ausführungsbeispiels umfasst darüber hinaus vorzugsweise auch eine Einrichtung zum Ermitteln der Außenkontur 214 des Werkstücks 212. Selbstverständlich können auch die Bearbeitungsvorrichtungen der anderen Ausführungsbeispiele eine geeignete Vorrichtung zum Ermitteln der Außenkontur des Bauteils umfassen.
Statt der Ultraschall-Messsensoren 224 kann die Messeinrichtung des dritten Ausführungsbeispiels in einer alternativen Ausgestaltung auch einen oder mehrere Wirbelstrom-Messsensoren oder sonstige geeignete Sensoren zum Ermitteln der Wandstärke des Bauteils umfassen.
Die Bearbeitungsvorrichtungen der Ausführungsbeispiele weisen Bohrwerkzeuge oder Schleifwerkzeuge als Bearbeitungswerkzeuge auf. Sie können jedoch alternativ oder zusätzlich auch andere spanende oder abtragende Werkzeuge, beispielsweise Fräswerkzeuge oder Polierwerkzeuge umfassen.
In den Ausführungsbeispielen wurde jeweils das Werkzeug justiert. Alternativ ist es jedoch auch möglich, das Bauteil oder sowohl das Bauteil als auch das Werkzeug zu justieren.

Claims (21)

  1. Verfahren zum mechanischen Bearbeiten eines hohlen Bauteils (12, 112, 212), insbesondere eines hohlen Turbinenbauteils, welches eine Außenkontur (14, 114, 214) und eine Innenkontur (16, 19, 116, 216) aufweist, bei dem eine Kontur des Bauteils (12, 112, 212) erfasst wird und das mechanische Bearbeiten angepasst an die erfasste Kontur erfolgt,
    dadurch gekennzeichnet, dass die erfasste Kontur die Innenkontur (16, 19, 116, 216) des Bauteils ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Anpassen des mechanischen Bearbeitens des Bauteils (12, 112, 212) an die erfasste Innenkontur (16, 19, 116, 216) erfolgt, indem das Bauteil (12, 112, 212) und/oder ein bearbeitendes Werkzeug (10, 110, 210) entsprechend der erfassten Innenkontur (16, 19, 116, 216) ausgerichtet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen der Innenkontur (116) des Bauteils (112) anhand eines Röntgenverfahrens oder eines computertomographischen Verfahrens erfolgt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen der Innenkontur (16, 19) des Bauteils (12) anhand eines thermografischen Verfahrens erfolgt.
  5. Verfahren nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass zum Durchführen des thermografischen Verfahrens eine Temperaturdifferenz zwischen der Innenkontur (16, 19) und der Außenkontur (14) hergestellt wird und ein thermografisches Vermessen der Temperatur der Innen- oder der Außenkontur erfolgt.
  6. Verfahren nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass zum Herstellen der Temperaturdifferenz die Innenkontur (16, 19) oder die Außenkontur (14) des Bauteils (12) einem kalten oder heißen Medium ausgesetzt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass zum Herstellen der Temperaturdifferenz die Innenkontur (16, 19) oder die Außenkontur (14) einer sie erwärmenden Strahlungsquelle ausgesetzt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Innenkontur (216) des Bauteils erfasst wird, indem eine Messung der Wanddicke des Bauteils (212) an ausgewählten Messorten erfolgt.
  9. Verfahren nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Wanddicke mittels Ultraschall erfolgt.
  10. Verfahren nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Wanddicke mittels Wirbelstrom erfolgt.
  11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass es als Verfahren zum Einbringen von Kühlluftbohrungen in eine Turbinenschaufel ausgestaltet ist.
  12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass es als Verfahren zum Schleifen der Außenkontur einer Turbinenschaufel ausgestaltet ist.
  13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass sowohl ein Erfassen der Innenkontur (16, 19, 116, 216) als auch zum Erfassen der Außenkontur (14, 114, 214) des hohlen Bauteils (12, 112, 212) erfolgt.
  14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass das es als Teil eines Herstellungsverfahrens zur Neuherstellung einer Turbinenschaufel ausgestaltet ist.
  15. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass es als Teil eines Wartungsverfahrens zur Wartung einer Turbinenschaufel ausgestaltet ist.
  16. Bearbeitungsvorrichtung zum mechanischen Bearbeiten eines hohlen Bauteils (12, 112, 212), welches eine Außenkontur (14, 114, 214) und eine Innenkontur (16, 19, 116, 216) aufweist, mit
    einer Messeinrichtung (24, 26, 122, 124, 126, 224, 226) zum Erfassen einer Kontur des Bauteils (12, 112, 212) und zum Ausgeben eines die erfasste Kontur repräsentierenden Kontursignals und
    einer mit der Messeinrichtung (24, 26, 122, 124, 126, 224, 226) zum Empfang des Kontursignals verbundenen Justiereinheit zum Justieren des Bauteils (12, 112, 212) und/oder eines das Bauteil (12, 112, 212) bearbeitenden Werkzeuges (10,110, 210) anhand des empfangenen Kontursignals,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (24, 26, 122, 124, 126, 224, 226) derart ausgestaltet ist, dass sie die Innenkontur (16, 19, 116, 216) des hohlen Bauteils erfasst.
  17. Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 16,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung einen Computertomographen (122, 124, 126) umfasst.
  18. Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 16,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung mindestens einen Ultraschall-Messsensor (224) oder mindestens einen Wirbelstrom-Messsensor zum Anbringen an ausgewählten Messorten des Bauteils (212) umfasst.
  19. Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 16,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung eine thermografische Kamera (24) und eine Einrichtung (22) zum Herstellen einer Temperaturdifferenz zwischen der Innenkontur (16, 19) und der Außenkontur (14) des Bauteils (12) umfasst.
  20. Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 19,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Herstellen einer Temperaturdifferenz eine Kühl- oder Heizmediumzufuhr (22) zur Innen- oder Außenkontur des Bauteils (12) umfasst.
  21. Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 19,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Herstellen einer Temperaturdifferenz eine Strahlungsquelle umfasst.
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